热泵精馏工艺分析 化工行业是能耗大户， 其中精馏又是能耗极高的单元操作， 而传统的精馏方式热力学效率很 低，能量浪费很大。 如何降低精馏塔的能耗， 充分利用低温热源， 已成为人们普遍关注的问 题。对此人们提出了许多节能措施， 通过大量的理论分析、 实验研究以及工业应用表明其中 节能效果比较显著的是热泵精馏技术。 热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温， 使其用作塔 底再沸器的热源，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。
热泵精馏在下述场合应用，有望取得良好效果： (1) 塔顶和塔底温差较小，因为压缩机的功耗主要取决于温差，温差越大，压缩机的功耗越 大。据国外文献报导，只要塔顶和塔底温差小于 36C，就可以获得较好的经济效果。
(2) 沸点相近组分的分离，按常规方法，蒸馏塔需要较多的塔盘及较大的回流比，才能得到 合格的产品， 而且加热用的蒸汽或冷却用的循环水都比较多。 若采用热泵技术一般可取得较 明显的经济效益。
(3) 工厂蒸汽供应不足或价格偏高 ,有必要减少蒸汽用量或取消再沸器时。 (4) 冷却水不足或者冷却水温偏高、价格偏贵，需要采用制冷技术或其他方法解决冷却问题 时。
(5) —般蒸馏塔塔顶温度在 38〜138 C之间,如果用热泵流程对缩短投资回收期有利就可以采 用，但是如果有较便宜的低压蒸汽和冷却介质来源，用热泵流程就不一定有利。
(6) 蒸馏塔底再沸器温度在 300 C以上，采用热泵流程往往是不合适的。 以上只是对一般情况而言 ,对于某个具体工艺过程，还要进行全面的经济技术评定之后才能 确定。 根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型 1 .蒸汽加压方式 蒸汽加压方式热泵精馏有两种：蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式。 1.1 蒸汽压缩机方式 蒸汽压缩机方式又可分为间接式、 塔顶气体直接压缩式、 分割式和塔釜液体闪蒸再沸式流程。
1.1.1 间接式 当塔顶气体具有腐蚀性或塔顶气体为热敏性产品或塔顶产品不宜压缩时， 可以采用间接式热 泵精馏，见图 1 。 图1间接式热泵精馏流程图 它主要由精馏塔、压缩机、蒸发器、 冷凝器及节流阀等组成。 这种流程利用单独封闭循环的 工质(冷剂)工作：冷剂与塔顶物料换热后吸收热量蒸发为气体，气体经压缩提高压力和温 度后，送至塔釜加热釜液，而本身凝结成液体。液体经节流减压后再去塔顶换热， 完成一个 循环。
于是塔顶低温处的热量，通过冷剂的媒介传递到塔釜高温处。 在此流程中，制冷循环中的冷 剂冷凝器与塔釜再沸器合为一个设备。在此设备中冷剂冷凝放热而釜液吸热蒸发。
间接式热泵精馏的特点是： (1) 塔中要分离的产品与冷剂完全隔离； (2) 可使用标准精馏系统，易于设计和控制； (3) 与塔顶气体直接压缩式相比较，多一个热交换器 (即蒸发器)，压缩机需要克服较高的温差 和压力差，因此其效率较低。
考虑到工质的化学稳定性，间接式热泵精馏应用的温度范围限制在 130 C左右,而许多有机产 品的精馏塔却在较高的温度下操作。
与普通制冷剂相比， 水的化学和热稳定性好， 泄漏时对人和臭氧层无负效应，价格便宜，而 且具有极好的传热特性， 在热交换中所需的换热面积较小， 特别适合精馏塔底温度较高的精 馏系统。
表1是以水为工质，用间接式热泵精馏分离乙苯 -对二甲苯的节能结果。虽然单独工质循环 式热泵精馏比常规精馏的总投资费用大，但回收期短，一般在一年之内。 耗褪及费用 當规精谓 塔顶言接 热泵精超 间接式魏 泵精is
蒸汽i 26 0
电kU n
㈣
冷却水TT1 '* h 120 14J.J
蒸汽■'元"h 507 0 21)
电元小 0 M7. 75 100. 75
冷却水元■ h 45. 5 4J) 4 55
总操作费用元， 5 91.65 !嘅?
节能效益元从 1) 2. 2
投资回收期年 0 1L3 <1 23
表1不同热泵精馏流程处理乙苯-对二甲苯溶液的节能及经济效果
1.1.2塔顶气体直接压缩式 塔顶气体直接压缩式热泵精馏是以塔顶气体作为工质的热泵，其流程见图 2，精馏塔顶气体 经压缩机压缩升温后进入塔底再沸器，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压降温后， 一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔顶的回流。
图2塔顶气体直接压缩式热泵精馏流程图 塔顶气体直接压缩式热泵精馏的特点是： (1) 所需的载热介质是现成的； (2) 因为只需要一个热交换器 (即再沸器)，压缩机的压缩比通常低于单独工质循环式的压缩 比； (3) 系统简单，稳定可靠。
塔顶气体直接压缩式热泵精馏适合应用在塔顶和塔底温度接近， 或被分离物质因沸点接近难 以分离，必须采用较大回流比的情况下，因此需要消耗大量加热蒸汽 (即高负荷的再沸器)，
塔底产物 压 机 或在低压运行必须采用冷冻剂进行冷凝。 为了使用冷却水或空气作冷凝介质， 必须在较高塔 压下分离某些易挥发物质的场合。 塔顶气体直接压缩式热泵精馏应用十分广泛，如丙烯 -丙烷的分离采用该流程，其热力学效 率可以从3.6%提高到8.1%,节能和经济效益非常显著。 某厂采用热泵精馏的结果见表 2，由此可见，当选用热泵精馏时，能源费用急剧下降。此时, 冷却水温度已不再是决定因素， 精馏塔可在更低的压力下操作， 既简化了分离过程， 又降低 了设备成本。
表2不同精馏形式下丙烯-丙烷分离的节能和经济效果比较 1.1.3分割式热泵 分割式热泵精馏组成及其流程如图 3所示。
图3分割式热泵精馏流程图 分割式热泵精馏流程分为上、 下两塔，上塔类似于直接式热泵精馏， 只不过多了一个进料口;
F 下塔则类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔， 进料来自上塔的釜液， 蒸汽则进入上塔塔底。 分 割式热泵精馏的节能效果明显，投资费用适中，控制简单。 分割式热泵精馏的特点是可通过控制分割点浓度 （即下塔进料浓度）来调节上塔的温差，从而 选择合适的压缩机。在实际设计时，分割点浓度的优化是很必要的。 分割式热泵精馏适用于分离体系物的相图存在恒浓区和恒稀区的大温差精馏，如乙醇水溶 液、异丙醇水溶液等。 表3是某工厂采用常规精馏、塔顶直接式热泵精馏和分割式热泵精馏工艺处理异丙醇水溶液 的结果。
耗能及费用 常规楕憎 塔顶直接 热泵精憎 分割式热 泵
精镭 蒸汽 36
电4毗 U 240() 3 2(10
冷却水 1 tXHI KM)
菱汽/元斥' 0 20
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总操作费用'元小」 ]?() 106
节能效益'元 0 2(X1 2fU
表3不同精馏形式下异丙醇溶液分离的节能和经济效果比较 1.1.4闪蒸再沸 闪蒸再沸是热泵的一种变型， 它以釜液为工质，其流程如图4所示。与塔顶气体直接压缩式 相似，它也比间接式少一个换热器， 适用场合也基本相同。 不过，闪蒸再沸在塔压高时有利， 而塔顶气体直接压缩式在塔压低时更有利。
从表3可以看出，分割式可选择单级压缩机, 昂贵的多级压缩机。其耗电量几乎是分割式的 其耗电量大大降低； 而塔顶直接式就必须选择 2
倍。 塔底出料 图4闪蒸再沸式热泵精馏流程图 1.2蒸汽喷射式 图5是采用蒸汽喷射泵方式的蒸汽汽提减压精馏工艺流程。 在该流程中，塔顶蒸汽是稍含低 沸点组成的水蒸气，其一部分用蒸汽喷射泵加压升温， 随驱动蒸汽一起进入塔底作为加热蒸 汽。
在传统方式中，如果进料预热需蒸汽量 10，再沸器需蒸汽量30,则共需蒸汽量40。而在采 用蒸汽喷射式热泵的精馏中， 用于进料预热的蒸汽量不变， 但由于向蒸汽喷射泵供给驱动蒸 汽15就可得到用于再沸器加热的蒸汽 30,故蒸汽消耗量是25,可节省37.5%的蒸汽量，所
以节能效果十分显著。
采用蒸汽喷射泵方式的热泵精馏具有如下优点： (1) 新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费用低； (2) 蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，而且维修费用低。 蒸汽喷射式热泵精馏如果在大压缩比或高真空度条件下操作，蒸汽喷射泵的驱动蒸汽量增 大，再循环效果显著下降。 因此，这种方式的热泵精馏适合应用在： (1)精馏塔塔底和塔顶的压差不大； ⑵减压精馏的真空度比较低的情况下。
2吸收式 吸收式热泵由吸收器、 再生器、冷却器和再沸器等设备组成， 常用溴化锂水溶液或氯化钙水 溶液为工质。由再生器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送来的蒸汽， 发生了强 烈的吸收作用，不但升温而且放出热量 的吸收器即为精馏塔的蒸发器。
浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后，浓度变稀，即送再生器蒸浓。再生器所耗用的热能 是热泵的原动力。从再生器中蒸发出来的水蒸气， 在冷却器中冷却、冷凝， 而后送入精馏塔 冷凝器，在此冷凝器中，塔顶馏出物被冷凝，而水又重新蒸发进入吸收器。由此可见，精馏 塔的冷凝器也是热泵的再沸器，详见图 6。
吸收式热泵按照机内循环方向的不同可分为： 冷凝器压力大于蒸发器压力的第一类吸收式热泵 (I型)和蒸发器压力高于冷凝器压力的第 二类吸收式热泵(n型)。第一类吸收式热泵需要高温热源驱动，但不需要外界冷却水，热量 能得到充分利用，主要应用于产生热水；第二类吸收式热泵可利用低品位热能直接驱动， 以 低温热源与冷却水之间的温差为推动力，可产生低压蒸汽。
表4吸收式热泵的特点